El viaje de una etiqueta inteligente conectada al móvil

Desde la petición inicial de construir un dispositivo delgado como un papel, conectado a la red móvil y capaz de detectar la temperatura y el movimiento mientras rastrea la ubicación, los ingenieros de SODAQ han trabajado incansablemente para crear un producto que maximice el valor de cada mAh de la batería. Este artículo detallará cómo la inigualable experiencia de SODAQ en el desarrollo de productos nos ha ayudado a convertirnos en uno de los líderes mundiales en IoT de bajo consumo.

Mientras que los componentes electrónicos, como antenas y chips, tienden a ser delgados, las baterías suelen ser voluminosas, sobre todo cuando tienen que proporcionar las elevadas corrientes de pico necesarias para transmitir mensajes a través de una red de radio pública, como la que proporciona un operador de red móvil.

Paralelamente a nuestros esfuerzos de investigación y desarrollo en flexPCB, diseño de antenas y software, varias empresas han sido pioneras en técnicas de impresión de baterías, partiendo de la premisa de que conseguir corrientes de pico elevadas suele requerir mucho volumen. Sin embargo, con la química adecuada y una mayor superficie, esto también puede conseguirse en una "lámina" de batería fina, ancha y larga, en lugar de una forma de caja o cilindro compacto. Para minimizar el grosor y optimizar el rendimiento, se puede colocar una placa flexPCB y una antena impresa al lado de la batería, en lugar de encima. Este enfoque representa un pensamiento verdaderamente innovador. Sin embargo, las leyes de la física dictan que un pequeño volumen de batería se traduce inevitablemente en una baja capacidad. Por eso hemos elegido una capacidad de 100 mAh para nuestras baterías de etiquetas inteligentes para móviles. Para poner esto en perspectiva, es aproximadamente 1/30 de la capacidad de una batería típica de smartphone (3000mAh).

Con una capacidad de batería de solo 100 mAh, era crucial seleccionar un módem que pudiera convertir eficientemente la energía en envío de datos de sensores y localización a la nube. Tras una exhaustiva investigación, finalmente elegimos el Nordic NRF9160 por su extraordinario rendimiento. De hecho, ofrece el doble de eficiencia que la siguiente mejor opción.

Aunque elegir el módem óptimo fue un paso importante, no significaba que hubiéramos logrado nuestro objetivo. Todavía teníamos que dedicar unos dos años a desarrollar y probar globalmente una solución completa que cumpliera exactamente nuestras normas. Nuestro software integrado, en particular, nos diferencia de la competencia.

Para minimizar el consumo de energía, nuestra herramienta más eficaz es la comunicación basada en disparadores, que nos permite activar o desactivar selectivamente la comunicación según sea necesario. Para ello, empleamos dos sensores:

1- Con la ayuda del acelerómetro, podemos detectar el movimiento y mantener el dispositivo en reposo profundo hasta que necesite despertarse. Mediante algoritmos inteligentes, podemos transmitir datos a intervalos específicos cuando el dispositivo está en movimiento y a intervalos diferentes cuando no lo está. También podemos activar mensajes en condiciones más complejas, como después de una cierta cantidad de movimiento o tras permanecer inmóvil durante un periodo determinado. Gracias a estos mecanismos, hemos desarrollado lo que llamamos "modo de vuelo inverso", que garantiza el cumplimiento de la normativa de aviación al transportar nuestra etiqueta inteligente.

2- Al aprovechar la capacidad de escaneo de red del módem, podemos comprobar rápidamente la disponibilidad de la red y evitar malgastar la valiosa capacidad de la batería intentando conectarnos a todas las redes disponibles. El escaneado también nos permite determinar la tecnología de acceso por radio (RAT) disponible, como LTE-M o NB-IoT, así como el operador disponible. Al intentar conectarnos solo cuando hay una red disponible, podemos ahorrar una cantidad significativa de capacidad de la batería.

- Para optimizar aún más este proceso, hemos desarrollado una tecnología que realiza la exploración de la red de forma pasiva en lugar de activa, lo que significa que no consume batería para determinar la disponibilidad de la red. El método consiste en captar la energía de radiación de radiofrecuencia ambiental, filtrarla a través de un circuito de adaptación y reenviar la energía sólo si entra dentro de un rango de radiofrecuencia específico. Si se capta suficiente energía, se activa un interruptor que enciende el dispositivo y comienza a buscar redes. Aunque los datos recogidos no son tan detallados, pueden informarnos de si hay una red celular LPWAN disponible dentro de un determinado rango de frecuencias. Este enfoque, conocido como "antena como sensor", es la única forma viable de captación de energía por radiofrecuencia (RF) de largo alcance en la actualidad. Es importante señalar que esta función aún no está disponible en la etiqueta inteligente.

Además, lo que nos diferencia de la competencia es que no seguimos sin pensar estándares industriales como LWM2M o MQTT para transmitir datos. La sobrecarga de estos protocolos es demasiado elevada. En su lugar, confiamos en simples mensajes binarios sobre UDP, que son perfectamente seguros cuando utilizamos redes celulares y una VPN para establecer una conexión segura con la nube.

Con esta tecnología y las configuraciones correctas, hemos podido enviar más de 49.416 mensajes utilizando 1.158 etiquetas que viajaron intercontinentalmente y cambiaron entre operadores de distintos países.

Jan Willem Smeenk, cofundador y arquitecto de la solución Seniour, comentó lo siguiente: "Ha realizado 6 travesías del Atlántico con una sola batería impresa. 535 mensajes y un tiempo de conexión del módem de 8.257 segundos. La batería sigue funcionando a 4,5 V, lo que significa que le queda alrededor de un 20% de capacidad, ¡algo increíble!"

Y Kees Hogenhout, jefe del equipo de hardware e ingeniero principal de RF, añadió: "Implica que se han establecido con éxito muchas conexiones con nuevos proveedores de red; que el hardware y el software están configurados de tal manera que funcionan en muchas frecuencias diferentes en muchas regiones."

Sin embargo, es importante señalar que este éxito se consiguió tras enviar cientos de etiquetas a todo el mundo, cada una de ellas con diferentes configuraciones para la selección de RAT, disparadores de acelerómetro, uso de escaneado rápido y duración del tiempo de espera para los intentos de conexión a la red. Estas etiquetas se enviaron para diferentes casos comerciales de clientes, y su funcionamiento satisfactorio demuestra la flexibilidad y adaptabilidad de nuestra tecnología para satisfacer necesidades diversas.

Gracias a estas pruebas, hemos comprobado que no existe un único conjunto de configuraciones óptimas. Dependiendo de las necesidades del usuario, recomendamos seleccionar un conjunto de configuraciones que maximicen la vida útil de la etiqueta o la probabilidad de entrega de cada mensaje. Cualquiera de estas opciones requiere diferentes configuraciones de RAT, tiempo de espera y acelerómetro.

En conclusión, tras un largo y continuo viaje por todo el mundo y a través de múltiples ciclos de investigación y desarrollo, los ingenieros de SODAQ han dominado la forma de exprimir al máximo la capacidad de tan sólo 100mAh de batería. El rendimiento superior de nuestra etiqueta inteligente ha sido atestiguado por numerosos clientes y está considerado como uno de los mejores del mercado. Nuestro proveedor de módems Nordic ha llegado a afirmar: "En la posición actual de SODAQ con la etiqueta inteligente, creemos que están al menos 1-2 años por delante de la competencia". A través de nuestras pruebas, hemos establecido que ninguna combinación de componentes puede superar a esta solución.

Además, nuestra experiencia en bajo consumo nos ha permitido desarrollar dispositivos diminutos que utilizan la captación de energía cinética o solar, lo que elimina la necesidad de sustituir las baterías, permite un funcionamiento perpetuo y abre oportunidades en el mundo de los supercondensadores. (SODAQ)